Chapitre III : La production décentralisée
III.4 Impacts de la production décentralisée sur les réseaux électriques
Chapitre III : La production décentralisée
Grâce à ces avantages attractifs économiquement et énergétiquement, on espère que dans le futur les GED seront les alternatives des grands producteurs centralisés.
III.4 Impacts de la production décentralisée sur les réseaux électriques [22] [23]
Le développement d’un nouveau type de production, qualifiées de décentralisées, sur base de systèmes à énergie renouvelables, d’unité de cogénération, ou de productions classiques installées par des producteurs indépendants, va notamment imposé de nouvelles contraintes techniques. Ces contraintes se présentent avec une acuité particulière dans les réseaux électriques, dans la mesure où ces derniers devront accueillir une part importante de ce nouveau type de production alors qu’ils n’ont pas été conçus pour accueillir de la production. De nouveaux problèmes apparaissent, ils ne pourront être résolues qu’on prix d’aménagement des réseaux actuels et d’importants efforts en recherche et développement, s’ils n’on veut continuer d’assurer au citoyen et aux industrielles une alimentation en énergie électrique fiable et de qualité.
Donc ce raccordement de production décentralisée aux réseaux apporte des intérêts économiques et énergétiques, mais il sera pénalisé sur le plan de l’exploitation du système. Les GED sont pour la plupart raccordées au réseau de distribution qui sera le premier à être impacté par ce phénomène. Puis, comme on a vu ces derniers temps une pénétration de production décentralisée à taux croissant, les impacts de ces nouveaux producteurs ne se restreindront plus au niveau des réseaux de distribution où ils sont raccordés, mais affecteront tout le système, jusqu’au réseau de transport.
Comme nous l’avons mentionné au chapitre I précédant le réseau électrique a toujours été exploité en dissociant d’une part la production et d’autre part la consommation d’énergie. Dans cette configuration, le réseau électrique achemine l’électricité des centrales de productions principalement situées sur le réseau de transport vers les clients via le réseau de distribution. Dans ce cas, la circulation d’électricité est unidirectionnelle. Ainsi, les dispositifs présents sur le réseau comme les protections ou les organes de réglages de tension comme les transformateurs réglables en charge sont dimensionnés et fonctionnent pour cette configuration de réseau. L’insertion de PDE peut induire une inversion du flux de puissance sur le réseau électrique. Ils deviennent donc bidirectionnels. Ceci fait donc apparaître des
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problèmes d’incompatibilité entre la situation actuelle du réseau de distribution et la présence de production d’énergie sur celui-ci.
III.4.1 Impacts de la production décentralisée sur le réseau de distribution HTA [24][25]
Les réseaux HTA (MT) sont conçus pour distribuer de l'énergie provenant d'un transformateur HT/MT à la clientèle MT et BT(comme mentionné au chapitre I). Ils doivent être capables de faire face à chaque instant aux variations de charge de la clientèle tout en délivrant l'énergie sous une tension constamment comprise entre certaines limites. Ces réseaux ont été planifiés jusqu’à présent en supposant que la production raccordée était marginale (voire inexistante). L’arrivée de production de puissance relativement importante peut alors poser les problèmes suivants :
Ø Dépassement des capacités de transit des ouvrages d’évacuation (lignes, câbles, transformateur HT/ MT).
Ø Tenue des matériels aux courants de court - circuits. Ø Dysfonctionnement du plan de protection
Ø Modification du plan de tension du réseau
III.4.1.1 Capacité d’évacuation du réseau
Il s’agit de vérifier qu’aucun ouvrage du réseau ne passe en surcharge lorsque le producteur se met à débiter sur le réseau. Le cas le plus contraignant correspond à une situation de faible consommation du départ HTA (heure creuse) avec le (ou les) producteur(s) raccordé(s) sur ce départ en débitant à pleine puissance. On peut observer alors des inversions de transit et des surcharges peuvent être constatées sur certaines portions de réseau. Dans ce cas, le raccordement de l’installation de production nécessite des renforcements d’ouvrages à la charge du producteur.
Cette contrainte peut donc limiter la capacité d’accueil de production sur un poste
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Le raccordement d’un producteur entraîne une augmentation des courants de court-circuit en réseau (cette deuxième contrainte sera le but de notre étude au chapitre IV sur un réseau HTB). Cette augmentation ne doit pas entraîner de dépassement du courant de court-circuit au-delà de la limite assignée pour les matériels MT du poste et du réseau (8 kA ou 12.5 kA dans la plupart des cas). La méthode retenue pour le calcul des courants de court-circuit est directement issue de la norme CEI-909.
Les courants de court-circuit constituent donc une deuxième contrainte limitant la puissance maximum raccordable sur un poste.
III.4.1.3 Plan de protection des réseaux HTA [26]
III.4.1.3.1 Rappel des Exigences
Lorsqu’un défaut apparaît sur un départ MT, le distributeur doit, pour des raisons de sécurité, éliminer ce défaut en ouvrant le disjoncteur du départ. Assurant ainsi la mise hors tension du défaut. Dans le cas de défauts fugitifs sur un réseau aérien, une mise hors tension très courte (0.3s) est suffisante pour éliminer le défaut et permettre le succès d’un cycle de ré enclenchement rapide. La présence d’une installation de production ne doit pas perturber le fonctionnement du plan de protection du distributeur en sensibilité et en sélectivité lors d’un défaut sur le départ auquel elle est raccordée, l’installation de production doit se découpler pour ne pas maintenir sous tension le défaut : c’est le rôle de la protection de découplage Cette protection "de découplage" devant supprimer la parallèle entre générateurs et réseau de distribution, lors d'un défaut ou d'une autre anomalie sur celui-ci. Le découplage doit répondre à des conditions strictes lorsqu'il est effectué des ré enclenchements automatiques rapides, ce qui est le cas le plus général des réseaux MT aériens.
III.4.1.3.2Influence du producteur sur la sensibilité et la sélectivité du plan de protection
Lorsqu’un défaut se produit sur un départ, les groupes de production participent à l’alimentation du défaut. Cette injection de courant peut altérer la sélectivité et la sensibilité des protections existantes de deux manières:
ü déclenchement intempestif d’un départ sain, ü aveuglement de la protection du départ en défaut.
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Déclenchement intempestif d’un départ sain:
La protection contre les défauts polyphasés utilisée par les gestionnaires des réseaux électriques est une protection ampère métrique à temps constant. Elle est réglée à 0.8 fois le courant de court-circuit biphasé calculé au point le plus éloigné du départ. Dans ces conditions, il faut s’assurer que le courant de court-circuit injecté par les groupes de production connectés sur un départ sain reste inférieur à ce réglage pour un défaut situé sur un départ adjacent. Dans le cas contraire on observera un déclenchement intempestif
Considérons le schéma de la figure III.1 d’alimentation par une sous station du réseau d’une charge par la liaison 2 et la connexion à la sous station par la liaison 1 d’une unité de production décentralisée. Ces deux liaisons sont chacune protégées par un disjoncteur contre les surintensités (protection ampère métrique) comme c’est l’usage. En effet, tout défaut survenant sur un départ MT doit être éliminé par ouverture du disjoncteur de départ. Dans cet exemple extrêmement simple le disjoncteur de la ligne 1 peut débrancher intempestivement cette ligne en cas de défaut sur la ligne 2, car le courant du générateur lors de ce défaut peut être supérieur au seuil de protection. Ceci pour autant que la puissance des unités de production décentralisée soit importante et arrivera d’autant plus que le défaut soit proche du poste. La sélectivité de la protection est ainsi mise en défaut. Les seuils de protection doivent donc être revus pour que seule la ligne en défaut soit déconnecté.
Pour toute implantation d’une unité de production décentralisée dans le réseau de distribution, il faut impérativement vérifier la sélectivité des protections et le cas échéant les ajuster. Ou bien requérir la mise en œuvre d’une protection de courant directionnelle, qui doit détecter si la défaut est en amont et non pas déclencher intempestivement.
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Figure III.1- Influence de la production décentralisée sur la sélectivité de la protection des réseaux de distribution
v Aveuglement de la protection du départ en défaut.
Lorsque la production décentralisée est loin du poste source HT/MT et qu’un défaut apparaît sur une dérivation proche de la centrale, il peut arriver que l’impédance de la ligne entre le poste source et le défaut devienne très importante devant l’impédance entre la centrale et le défaut ; On observe alors une diminution du courant de défaut injecté au niveau du poste source par rapport au cas où la centrale n’est pas en fonctionnement (Figure III.2). Il peut donc arriver que la protection au niveau du poste source ne détecte plus dans un premier temps le défaut
Figure III.2 - Aveuglement de la protection du départ en défaut
Dans ce cas il faudra attendre que la centrale se déconnecte par les relais minimums de tension entre phases de sa protection de découplage pour que la protection au poste source retrouve sa sensibilité. L’élimination des défauts est donc retardée de la temporisation du
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relais à minimum, de tension (1 à 1.5 s). Pour s’affranchir de ce problème, le raccordement du producteur sur un autre départ de caractéristique différente ou sur un départ dédié constitue la solution.
III.4.1.3.3 Protection de découplage
En cas de défaut sur la ligne à laquelle est raccordée une installation de production décentralisée, cette dernière doit impérativement se découpler automatiquement et rapidement pour ne pas maintenir le défaut sous tension. Cette fonction est assurée par la protection dite de découplage. Cette protection comporte généralement un ensemble de relais (relais homopolaire de tension, relais à saut de vecteur, etc.) et constitue un dispositif relativement complexe [22]. L'ouverture du disjoncteur au poste de départ provoque ainsi le découplage des unités de production décentralisée raccordées sur ce départ, ceci même en l'absence de défaut.
A cause de ces inconvénients. On propose dans notre étude au chapitre V l’installation de deux équipements de protection à distance en redondance et de technologies différentes qui travaille en concurrence surveillant cette ligne , à la quelle est raccordée cette production décentralisée.
III.4.1.4 La tenue de la tension
La nouvelle plage de variations lentes de la tension BT est de +6%/-10% autour de la tension nominale (230V/400 V). En HTA le nouveau contrat International prévoit une plage de variations lentes de la tension de ± 5% autour de la tension contractuelle de référence.
Les moyens employés pour respecter les contraintes de tension sont le régleur en charge des transformateurs HTB/HTA et les prises à vide des transformateurs HTA/BT. Les postes sources sont en outre équipés de batteries de condensateurs pour compenser la puissance réac-tive absorbée par le réseau de distribution et ainsi éviter qu'elle circule par les réseaux de transport et de répartition.
Le régleur en charge est un dispositif qui permet de réguler la tension en permanence dans une plage assez large (de l'ordre de ± 12% autour de la valeur nominale). Ces régleurs ont une temporisation de 60 secondes pour ne pas interférer avec le réglage secondaire de tension et pour laisser le temps d'agir aux disjoncteurs réenclencheurs en cas de défaut. Les transformateurs HTA/BT possèdent toujours 3 prises à vide qui nécessitent l'interruption du courant pour être actionnées. Il existe sur les réseaux deux paliers de ces transformateurs avec des prises à vide différentes, mais les
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prises 20 kV/400V (que l'on appelle prise 0 %) et 20 kV/410 V (prise +2.5%) sont présentes dans tous les modèles.
Deux types de régulation de tension au poste source sont aujourd'hui possibles : la régulation par consigne fixe (le régulateur de tension actionne les prises du régleur en charge de manière à maintenir une consigne de tension au secondaire du transformateur HTB/HTA) et la régulation par compoundage (la consigne de tension est fonction du courant qui traverse le transformateur). Un nouveau type de régulation est à l'étude, la régulation auto adaptative, où la valeur de la consigne peut être modifiée à distance par les nouveaux systèmes de télé conduite.
III.4.2 Impacts de la production décentralisée sur le réseau de transport HTB [27] [28]
Les réseaux HTB sont constitués comme mentionnés au chapitre 1 , des réseaux 63 kV - 90 kV (dits HT) et 225 kV - 400 kV (dit THT). Les réseaux 400 kV ont une vocation de Grand Transport et d'Interconnexion Internationale et accueillent les groupes de production de forte puissance notamment les tranches nucléaires. La production décentralisée se raccorde par contre sur les niveaux de tension inférieurs
A la différence des réseaux HTA (de distribution), l'exploitation de ces réseaux est normalement de type bouclé (par opposition à une exploitation en antenne), on parle de réseaux maillés (ou interconnectés). Le transit d'énergie se fait selon les lois électriques de moindre impédance en fonction des schémas d'exploitation (topologie) des réseaux retenus dans le cadre des règles d'exploitation en vigueur. Si l'arrivée de nouvelles installations de production sur ces réseaux n'est donc pas totalement une nouveauté, elle n'en pose pas moins un certain nombre de problèmes. Certains sont identiques à ceux rencontrés en HTA :
Ø Capacité d'évacuation des ouvrages,
Ø Tenue des matériels aux courants de court-circuit, Ø Réglage du plan de tension du réseau,
Ø Modification du plan de tension du réseau, Ø Stabilité des groupes
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L'évaluation des contraintes est cependant plus complexe qu'en HTA du fait de l'exploitation bouclée des réseaux et nécessite l'utilisation de différents logiciels. Enfin un point nouveau doit être étudié : la stabilité des groupes de production tant en petits mouvements ("stabilité statique") qu'en grands mouvements ("stabilité transitoire").Nous allons détailler ces différents aspects.
III.4.2.1 Capacité d’évacuation du réseau
II s'agit d'évaluer des contraintes éventuelles sur les ouvrages existants du réseau : lignes, câbles, transformateurs. Les logiciels pour réaliser ce type d'étude existent : programmes de " Load-Flow ".La difficulté provient essentiellement des hypothèses à prendre en compte :
§ Plans de démarrage de groupe, § Schémas d'exploitation retenus
III.4.2.2 Tenue des matériels aux courants de court-circuit
Comme en HTA, il s'agit de vérifier que le raccordement d'un producteur n'entraîne pas de dépassement du courant de court-circuit au delà de la limite assignée pour les matériels. Les paliers techniques rencontrés sont les suivants (cette deuxième contrainte sera le but de notre étude au chapitre IV sur un réseau HTB):
20 kA en 63 kV 31,5kA en 90 kV
31,5 kA en 225 kV (20 kA dans quelques postes anciens).
L'évaluation des courants de court-circuit est réalisée en utilisant la norme CEI-909. Les principales caractéristiques sont les suivantes :
§ réseau à vide,
§ lignes, câbles et transformateurs représentés par leur résistance et réactance, § groupes modélisés par leur réactance transitoire,
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§ calcul effectué à la tension c Un, avec c=l.l.
III.4.2.3 Plan de tension du réseau
Le réglage du plan de tension des réseaux HT 63 - 90 kV est réalisé à partir des régleurs en charge installés sur les transformateurs THT/HT qui maintiennent la tension sur les jeux de barres HT des postes égale à une valeur de consigne.
Le plan de tension du réseau 225 kV est réglés par les groupes connectés sur ce niveau de tension. Un certain nombre d'entre eux sont pilotés par le Réglage Secondaire de Tension (RST) qui coordonne les productions de réactif des différents groupes d'une zone.
Le raccordement de groupes de production sur ces niveaux de tension fait apparaître de nouvelles sources de production (ou d'absorption) de puissance réactive, donc de nouveaux moyens de réglage du plan de tension des réseaux. C'est pourquoi le gestionnaire du réseau demande que l'installation de production puisse moduler sa production de puissance réactive nette sur le réseau au point de livraison (en HT) entre -0.15 Sn et +0.45 Sn quel que soit le niveau de tension compris entre +1/-5 % de la tension contractuelle.
Le gestionnaire du réseau utilise alors ces possibilités de réglage suivant deux modes :
§ Soit pilotage par une consigne de tension au point de livraison, § Soit pilotage par une consigne de réactif.
Les consignes de réactif ou de tension sont modifiables à la demande du gestionnaire de réseau. Pour les installations de forte puissance (>100 MW) raccordées en 225 kV, une participation au réglage secondaire de leur zone est demandée.
III.4.2.4 Plan de protection des réseaux HTB [26]
Chaque ouvrage du réseau HTB dispose de protections constituant son propre système de protection. Les plans de protection coordonnent l'ensemble de ces systèmes Ils s'appuient sur les trois principes de base suivants :
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1) Chaque ouvrage du réseau possède son propre système de protection indépendant de celui des autres,
2) Le système de protection d'un ouvrage doit agir en secours (dit "éloigné"), au moins partiellement, en cas de défaillance du système de protection d'un autre ouvrage (sécurité des personnes et des biens),
3) Le système de protection de chaque ouvrage comporte plusieurs protections indépendantes, en particulier lorsque le secours éloigné est incertain. Les actions de ces protections font l'objet d'une logique précise prenant en compte le niveau de sûreté de fonctionnement requis et les exigences rapidité - sélectivité.
Ils spécifient les besoins normatifs à satisfaire (performances) en matière de : Ø rapidité d'élimination,
Ø sélectivité,
Ø sûreté de fonctionnement
Ø sécurité vis à vis des personnes et des biens.
Par ailleurs, en situation d'indisponibilité, ils précisent le niveau de performance attendu (par exemple en cas de défaillance d'une protection principale, ou d'un organe de coupure) : le besoin relève de la sûreté de fonctionnement.
Un des aspects importants est bien évidemment, la performance en temps d'élimination ; celui-ci est déterminé, essentiellement, à l'examen des trois points suivants :
1. Garantie de la stabilité des groupes de Production Centralisée avec des exigences particulières pour les sites nucléaires (250 ms avec défaillance),
2. Garantie du niveau de Qualité de Fourniture à la clientèle (actuellement, certains creux de tension font l'objet d'indemnisation pour des durées supérieures à 600 ms)
3. Garantie de tenue des matériels :
§ des réseaux HTB (tenue des gaines des câbles souterrains, des enveloppes des PSEM, des câbles de réseau de terre des postes, des transformateurs alimentant des défauts externes...),
§ des réseaux de télécommunications, la protection contre les effets et les perturbations induites par les lignes électriques.
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III.4.2.4.1 les moyens constituant le système de protection
Sur la base des besoins (performances et garanties) définis par l'exploitant du réseau, le producteur est responsable du choix des matériels constituant le système de protection du réseau HTB à installer chez lui. Il est aussi totalement responsable du fonctionnement, qu'il soit bon ou mauvais, de toutes ses installations donc du système de protection satisfaisant aux besoins exprimés explicitement par l'exploitant du Réseau.
Protections principales
v La protection de distance est le type de protection généralement utilisée sur les réseaux HTB de type aérien. Ne nécessitant que des mesures (courant et tension de phase) locales, et disposant d'un dispositif d'antipompage (pour ne pas être sensible aux situations d'oscillations de puissance), elle constitue un moyen performant en terme de rapidité et de sélectivité pour l'élimination des défauts ligne(s) et barres de poste(s) de raccordement. Son temps de fonctionnement est en principe compatible avec des temps d'élimination (temps d'ouverture disjoncteurs compris) appartenant aux plages 250-500 ms (en 225 kV) et 250-850 ms (en 63-90 kV) habituellement requises. Enfin elle peut assurer un secours "éloigné" dans de bonnes conditions. La technologie numérique actuelle leur permet de disposer de fonctions complémentaires intéressantes (source peu active, perturbographie,...).